参考 · 文件系统:VFS、ramdisk、ext2 与文件描述符

查阅层。这一页是 Cinux 文件系统子系统的速查表,不按 tag 组织,给后续章节(ramdisk 026、VFS 027、ext2 028 系列、cwd/stat 028c、init 线程 028e、管道 031b、shell 024……)查 VFS 抽象、Inode/Ops、FDTable、ext2 布局、syscall 号用。实现以最终 tag 035_multi_terminal 源码为准。

范围:VFS 三层抽象(FileSystem → Inode+InodeOps → File+FDTable)、USTAR ramdisk、ext2 只读 + 后期可写、POSIX 风格 fd 与 syscall。不含 journaling、不含符号链接解析的完整实现、不含权限强制(早期 tag 多为 stub)。

子系统地图

   用户态 shell / 进程
        │  syscall(syscall_nums.hpp): SYS_read=0 SYS_write=1 SYS_open=2
        │   SYS_close=3 SYS_stat=4 SYS_pipe=22 SYS_chdir=12 SYS_getcwd=79 ...
        ▼
   ┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
   │  sys_read / sys_write 派发:先查 FDTable → File → Inode.ops   │
   │   命中 ops 就走 VFS;否则回退 fd0=键盘 / fd1=串口(031b 的翻转) │
   ▼                                                            │
   FDTable(256 槽,fd 0/1/2 = stdin/out/err 外部装)              │
        │ get(fd) → File(inode, offset, flags)                   │
        ▼                                                        │
   Inode(ino, size, type, mode, nlink, times, ops*)              │
        │ ops->read/write/readdir/create/mkdir/unlink/stat       │
        ▼                                                        │
   FileSystem 抽象(mount/lookup)                                 │
        ├── Ramdisk(USTAR tar,512B 块,magic "ustar")            │
        └── Ext2(superblock 0xEF53 @1024,inode 128B,15 block ptr)│
                                                                   ▼
   管道(031b):包成 Inode,挂 PipeReadOps / PipeWriteOps,统一进 VFS

设计核心:一切皆 Inode——普通文件、目录、设备、管道都先变成带 InodeOps 虚表的 Inode,sys_read/sys_write 只对着 Inode.ops 调用,不关心后端是什么。这就是管道(031b)能「包成 Inode」复用整套 VFS 的原因。

VFS 三层抽象

层	类 / 结构	职责
后端	FileSystem(抽象,vfs_filesystem.hpp)	mount()、lookup(path) → Inode*;ramdisk/ext2 各自实现
节点	Inode + InodeOps(inode.hpp)	一个文件/目录的元数据 + 操作虚表
句柄	File + FDTable(file.hpp)	打开实例(inode + offset + flags)+ 进程的 fd 表

Inode 与 InodeOps

Inode(inode.hpp)字段:ino、size、type(InodeType:Regular/Directory/…)、ops*(虚表,可空)、mode、uid、gid、nlink、atime/ctime/mtime、blocks。

InodeOps 是抽象基类(虚表),后端按需 override:

方法	默认	说明
read(inode, offset, buf, count) → 字节数	不支持返负	读
write(inode, offset, buf, count) → 字节数	不支持返负	写(早期 tag ramdisk 只读)
readdir(inode, index, name, namemax) → 长度	—	按索引枚举目录项
create(dir, name, namelen) → Inode*	nullptr	建文件
mkdir(dir, name, namelen) → Inode*	nullptr	建目录
unlink(dir, name, namelen)	—	删除
stat(inode, struct stat*)	—	填状态

每个具体 FS(ramdisk/ext2/pipe)提供自己的 InodeOps 子类,Inode::ops 指向它。ops == nullptr 表示该 inode 无操作(纯数据)。

File 与 FDTable

File(file.hpp):inode*、offset、flags(OpenFlags),offset 有 Spinlock 保护(多 fd 共享同一 inode、各自 offset 独立)。

FDTable:

项	值 / 说明
FD_TABLE_SIZE	256(固定数组)
FD_NONE	-1(未分配哨兵)
fd 0 / 1 / 2	stdin / stdout / stderr,外部装(init.cpp / sys_pipe 用 set)
alloc(inode, flags) → fd	找第一个空闲槽,建 File 返回 fd(跳过 0/1/2,因它们是预留)
set(fd, file)	强制装到指定 fd(覆盖),sys_pipe / dup2 / 绑 fd0/fd1 用
get(fd) → File*	取(nullptr = 非法/未用)
close(fd) → 0/-1	释放 File

FDTable 嵌在 Task 里,每任务一张;Task::fd_table == nullptr 表示共享全局内核表。生命周期:FDTable 拥有 File 对象,close 释放。

关键设计(031b 的坑): sys_read/sys_write 的派发顺序是「先查 FDTable 走 Inode.ops、再回退 fd0 键盘 / fd1 串口」。如果把顺序写反(先 fd0/fd1),管道会被短路——数据打到串口而不是管道。

ramdisk 后端(USTAR)

ramdisk 把一块内嵌的 USTAR tar 镜像当文件系统(ramdisk_config.hpp):

项	值
块大小	USTAR_BLOCK_SIZE = 512(UstarHeader 恰 512 字节)
magic	"ustar"
type flag	'0' Regular、'5' Directory、'1' Hardlink、'2' Symlink、'6' FIFO、'3'/'4' 字符/块设备、'7' Contiguous

ramdisk 在 026 引入,是 ext2 上线前让 shell 能读文件的简单后端;只读(无 write ops,或 write 返回不支持)。镜像在编译期嵌进内核镜像。

ext2 后端

kernel/fs/ext2*(superblock / inode / directory / block / init):

项	值
EXT2_SUPER_MAGIC	0xEF53
superblock 位置	偏移 1024(块 0 保留),大小 1024 字节
inode 默认大小	128 字节(EXT2_INODE_SIZE_DEFAULT)
块指针	i_block[15]:12 直接 + 1 间接(EXT2_INDIRECT_BLOCK=12)+ 1 二级间接(13)+ 1 三级间接 = 共 EXT2_TOTAL_BLOCK_PTRS=15
文件名	最长 EXT2_NAME_MAX = 255
目录项	头 8 字节(EXT2_DIR_ENTRY_HDR_SIZE),name 从偏移 8 起
inode 缓存	EXT2_INODE_CACHE_SIZE = 64
扇区	EXT2_SECTOR_SIZE = 512(经 AHCI 读写)
mode 掩码	EXT2_S_IFMT=0xF000、EXT2_S_IFREG=0x8000、EXT2_S_IFDIR=0x4000

ext2 经 028(只读挂载解析)→ 028b(写)→ 028c(cwd/stat)→ 028d(sync 安全)→ 028e(init 线程)逐步补齐。读写裸扇区走 storage-ahci-pci.md 那套 AHCI DMA。

系统调用(syscall_nums.hpp)

号	名	说明
0	SYS_read	读 fd(派发见上)
1	SYS_write	写 fd
2	SYS_open	打开路径 → fd
3	SYS_close	关 fd
4	SYS_stat	取 inode 状态
12	SYS_chdir	改当前目录
22	SYS_pipe	建管道,返两个 fd(031b)
39	SYS_getpid	取 pid
57	SYS_fork	复制进程(034/035)
59	SYS_execve	替换镜像
60	SYS_exit	退出
61	SYS_waitpid	收尸
79	SYS_getcwd	取当前目录

struct stat(stat.hpp):st_dev/st_ino/st_mode/st_nlink/st_uid/st_gid/st_rdev/st_size/st_blksize/st_blocks/st_atime/st_mtime/st_ctime。

约束与边界(本子系统的真实限制)

• fd 表固定 256。 alloc 跳过 0/1/2(预留),所以第一个普通 fd 是 3;装固定 fd 用 set。
• ramdisk 只读。 写文件要 ext2(028b+);早期 shell 对 ramdisk 只能读。
• 管道 = 带 PipeReadOps/PipeWriteOps 的 Inode(031b)。它复用 VFS,但派发顺序错了会被 fd0/fd1 回退短路。
• 权限(uid/gid/mode)多为元数据,早期不强制。 mode 字段存着,但 open/execute 不一定检查(核对具体 tag)。
• 符号链接/硬链接解析程度有限。 USTAR/ext2 都定义了类型,但完整路径解析(尤其 symlink 跟随)未必全实现。
• 无 journaling、无 fsck。 028d 的 sync 安全是「写后刷盘、防掉电损坏」的朴素版本,不是日志。

验证入口

• host 单测:ctest --test-dir build -R "vfs|inode|ext2|ramdisk|fd|file|path" --output-on-failure。
• QEMU 机内测:cmake --build build --target run-big-kernel-test(kernel/test/test_shell.cpp 端到端跑 sys_read/write/open、管道、shell 命令)。
• 可视化:cmake --build build --target run,shell 里 ls/cat/cd 验证 VFS + ext2。

源码索引

• VFS 抽象:vfs_filesystem.hpp / vfs_mount.hpp / vfs_mount.cpp。
• Inode:inode.hpp / inode.cpp。
• File/FD:file.hpp / file.cpp。
• ramdisk:ramdisk.hpp / ramdisk.cpp / ramdisk_config.hpp。
• ext2:ext2.hpp / ext2_types.hpp / ext2_init.cpp / ext2_inode.cpp / ext2_directory.cpp / ext2_block.cpp。
• 路径/stat:path.hpp / stat.hpp。
• syscall:syscall_nums.hpp + kernel/syscall/ 派发。

权威依据

• ext2 规范(superblock 0xEF53、inode 128B、i_block[15]=12 直接+间接+二级+三级、目录项线性布局):源设计文档;OSDev — Ext2。
• POSIX / Linux man-pages(open(2)/read(2)/stat(2)/pipe(2)/chdir(2),fd 0/1/2 约定):syscall 语义与 fd 分配规则。https://man7.org/linux/man-pages/
• USTAR tar 格式(PAX/ustar header、type flag、magic "ustar"):POSIX.1-1988 (ustar) / Wikipedia tar。
• 「一切皆 Inode」设计对比:Unix V6/V7 inodes、xv6 struct inode + itable(https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv)。